ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2007 года по МПК F03B13/06 F03B13/00 

Область техники

Изобретение относится к области гидроэнергетического строительства и может быть использовано при сооружении приливных гидроэлектростанций (ПЭС) и низконапорных речных гидроэлектростанций, имеющих водные потоки с относительно большими глубинами, превышающими диаметр турбины более чем в 2,5 раза.

Уровень техники

Известна многоярусная гидроэнергетическая установка проекта Пенжинской ПЭС [1], в которой горизонтальные турбинные водоводы расположены один над другим в три яруса. В каждом из турбинных водоводов установлен капсульный гидроэлектроагрегат, состоящий из горизонтальной осевой турбины и размещенных внутри водонепроницаемой капсулы генератора с мультипликатором. Диаметр рабочего колеса двух нижних ярусов принят равным 10 м, что в настоящее время является предельным по техническим возможностям диаметром для напорных гидротурбин, которому соответствует максимальные удельные (на 1 кВт установленной мощности) значения массы и стоимости гидроагрегата. Недостатки установки [1] - сложность монтажа и эксплуатации многоярусных капсульных гидроэлектроагрегатов, высокая удельная стоимость установки на 1 кВт установленной мощности.

Известна гидроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, две установленные в турбинных водоводах ортогональные турбины, валы которых связаны в общий вал через герметичную полость бычка, разделяющего турбинные водоводы, и генератор, вал которого кинематически связан с общим валом [2]. В установке [2] турбинные водоводы расположены на одном горизонтальном уровне, валы турбин и генератора связаны в общий горизонтальный вал, а генератор размещен на одном уровне с водоводами в герметичной полости расширенного бычка, разделяющего два турбинных водовода.

Недостатки установки [2] - необходимость создания расширенного бычка и объемной герметичной полости в теле бычка для размещения и эксплуатации генератора и связанного с ним электрооборудования, сложности монтажа установки и эксплуатации ее электросилового оборудования в стесненных условиях полости, образованной в теле расширенного бычка.

Задача изобретения - обеспечить удобные условия монтажа, демонтажа и эксплуатационного обслуживания оборудования установки при пониженных удельных капитальных затратах на 1 кВт установленной мощности и высоких удельных показателях пропускной способности и мощности на единицу длины напорного фронта гидроэлектростанции.

Сущность изобретения

Предметом изобретения является гидроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, два горизонтально расположенных один над другим турбинных водовода, генератор, установленный над турбинными водоводами, и размещенные в турбинных водоводах ортогональные турбины, валы которых установлены вертикально в подшипниковых опорах, при этом в стенках турбинных водоводов образованы герметизированные съемными перегородками технологические полости, в которых размещены подшипниковые опоры и соединительные элементы, кинематически связывающие валы турбин между собой и с валом генератора.

Это позволяет решить задачу изобретения.

Высокие технические показатели и пониженные капитальные затраты на создание скомпанованной указанным образом гидроэнергетической установки сочетаются с удобством эксплуатационного обслуживания размещенных в герметичных технологических полостях подшипниковых опор и соединительных элементов, связывающих валы ортогональных турбин и вал генератора. При этом можно использовать подшипниковые опоры на основе подшипников качения с масляной смазкой, имеющих более низкий коэффициент трения, чем подшипники на водной смазке.

Изобретение имеет развитие для частных случаев его реализации.

Подшипниковые опоры могут быть закреплены в съемных водонепроницаемых перегородках. Это создает удобства для монтажа и демонтажа многоярусного гидроэлектроагрегата из кинематически связанных ортогональных турбин и генератора при первоначальной сборке и при ремонте.

Установка может содержать, по меньшей мере, две горизонтально размещенные вдоль напорного фронта гидроэлектростанции (т.е. поперек водного потока) группы турбинных водоводов, расположенных друг над другом. Это позволяет с сохранением указанных выше преимуществ наращивать мощность установки путем увеличения ее протяженности вдоль напорного фронта гидроэлектростанции.

Установка может быть снабжена водонепроницаемыми ходами сообщения, предназначенными для связи технологических полостей с эксплуатационным колодцем гидроэлектростанции. Водонепроницаемые ходы сообщения обеспечивают обслуживающему персоналу гидростанции доступ в герметичные технологические полости установки из эксплуатационного колодца, выполняемого в здании гидростанции.

Краткое описание фигур чертежей

Фиг.1-3 иллюстрируют пример осуществления изобретения (с учетом его развития) в многотурбинной установке, объединяющей горизонтально размещенные вдоль напорного фронта две группы турбинных водоводов, расположенных друг над другом. На фиг.1 показан разрез А-А установки вертикальной плоскостью, направленной вдоль потока и проходящей через одну из групп водоводов, и вертикальные валы ортогональных турбин. На фиг.2 показан разрез В-В установки горизонтальной плоскостью, проходящей на уровне верхнего яруса турбинных водоводов, а на фиг.3 дан разрез С-С установки вертикальной плоскостью, проходящей вдоль напорного фронта гидроэлектростанции через вертикальные валы двух ортогональных турбин, установленных в турбинных водоводах соседних групп.

Осуществление изобретения с учетом его развития

Установка (см. фиг.1 - 3) содержит две группы из горизонтально расположенных один над другим турбинных водоводов: верхнего турбинного водовода 1 и нижнего турбинного водовода 2.

В средней, наиболее узкой части водоводов 1 и 2 размещены ортогональные турбины 3 и 4 соответственно. Над водоводами 1 и 2 установлен генератор 5. Валы 6 и 7 турбин 3 и 4 установлены вертикально в подшипниковых опорах 8. В описываемом примере реализации валы 6 и 7 кинематически связаны между собой соединительным элементом 9 в виде муфты, а с валом 10 генератора 5 - соединительным элементом, включающим (помимо соединительных муфт) промежуточный вал 11 и мультипликатор 12. В других вариантах исполнения элемент 9 может быть выполнен в виде короткого промежуточного вала и двух зубчатых полумуфт или в виде упругой муфты, компенсирующей несоосность валов 6 и 7 турбин 3 и 4, возникающую при изготовлении и монтаже, а промежуточный вал 11 и/или мультипликатор 12 могут не использоваться.

В горизонтальных стенках 13 турбинных водоводов 1 и 2 образованы технологические полости 14, в которых размещены соединительные элементы валов и установлены подшипниковые опоры 8. Нижняя полость 14 образована в виде ниши в днищевой горизонтальной стенке 13 водовода 2. Другие полости 14 выполнены в стенках 13 сквозными.

Технологические полости 14 отделены от воды съемными водонепроницаемыми горизонтальными перегородками 15, которые могут быть выполнены, например, в форме дисков с уплотнителями, имеющих центральное отверстие под вал. В перегородках 15 могут быть закреплены подшипниковые опоры 8.

Полости 14, защищенные от попадания воды водонепроницаемыми перегородками 15, заполнены воздухом при атмосферном давлении. Поэтому в них могут быть применены опоры 8, выполненные на базе подшипников качения с масляной смазкой. Для доступа обслуживающего персонала к подшипниковым опорам 8 и соединительным элементам, размещенным в полостях 14, установка может быть снабжена водонепроницаемыми ходами сообщения 16, которые обеспечивают сообщение технологических полостей 14 с эксплуатационным колодцем 17, снабженным винтовой лестницей и размещенным в центральной части гидроэлектростанции (см. фиг.3).

Для управления работой турбин водоводы 1 и 2 могут быть снабжены рабочими затворами, например предтурбинными затворами той или иной конструкции (на фиг.1-3 не показано). Как правило, такие затворы требуются на ГЭС, а на ПЭС предтурбинные затворы можно не устанавливать. В последнем случае для управления работой турбин предусматривается тормозное устройство (на фиг.1-3 не показано).

В торцах водоводов 1 и 2 могут быть предусмотрены пазы 18 под затворы, устанавливаемые для проведения ремонтов и наплавной транспортировки.

Установка в составе ПЭС работает следующим образом.

Напорный фронт отсекает от моря бассейн ПЭС. При приливно-отливных колебаниях уровня моря возникают циклические колебания разности уровней воды между бассейном и морем. Эта разность уровней создает статический напор, который периодически меняется как по величине, так и по знаку. При равенстве уровней воды бассейна и моря напор принимает нулевое значение, и течение в напорных водоводах 1 и 2 практически отсутствует. Поэтому гидротурбины 3 и 4 неподвижны. В процессе прилива возрастает уровень моря и вода в водоводах 1 и 2 течет из моря в бассейн. Ввиду ограниченной пропускной способности водоводов ПЭС уровень в бассейне растет медленнее, чем в море, и напор на ПЭС по абсолютной величине и соответственно скорость течения воды в водоводах 1 и 2 увеличивается. Валы 6 и 7 турбин 3 и 4 и кинематически связанный с ними вал 10 генератора 5 снимаются с тормоза и при напоре около 0,3 м турбины под действием текущей в водоводах 1 и 2 воды начинают вращаться и постепенно увеличивают частоту вращения. При напоре около 0,5 м частота вращения турбин 6 и 7 достигает номинального значения, а частота вращения вала 10 генератора 5, увеличенная мультипликатором, достигает синхронного значения, при котором генератор 5 включается в электросеть. При дальнейшем увеличении напора сверх 0,5 м генератор 5 отдает в сеть активную мощность, увеличивая ее с повышением напора. При наступлении отлива напор начинает падать, а отдаваемая активная мощность генератора 5 уменьшается. При нулевой активной мощности генератор 5 отключается от электросети, валы турбин затормаживаются и останавливаются. Далее по мере отлива напор проходит нулевое значение и, когда уровень воды в бассейне становиться выше, чем в море, напор меняет свой знак на противоположнный, обеспечивая обратное течение воды в водоводах 1 и 2 из бассейна в море. При соответствующем напоре обратного направления гидроэлектроагрегат вновь снимается с тормоза и набирает обороты. Благодаря тому, что характеристики ортогональных турбин и направление их вращения не зависят от направления течения воды [2], генератор 5 работает так же, как описано выше. Затем отлив сменяется приливом, и цикл работы установки повторяется. Аналогичным образом практически синхронно работает гидроэлектроагрегат с турбинами, размещенными в соседней группе расположенных друг над другом водоводов.

При глубинах в створе ПЭС 25-30 м, что имеет место для проектируемых Мезенской и Тугурской ПЭС, и выполнении установки с одноярусным расположением водоводов необходимо использовать турбины с предельным по техническим возможностям диаметром рабочего колеса 10 м как в случае применения осевых, так и в случае применения ортогональных турбин. Использование турбин меньшего диаметра при одноярусном расположении водоводов на таких глубинах экономически невыгодно из-за уменьшения удельных показателей пропускной способности и мощности на единицу длины напорного фронта ПЭС. Однако удельная масса и стоимость гидроэлектроагрегатов (на 1 кВт установленной мощности) с увеличением диаметра рабочего колеса турбины растут. Так, например, с увеличением диаметра турбины в 2 раза с 5 до 10 м удельная масса гидроагрегата (на 1 кВт установленной мощности) увеличивается почти вдвое. Использование же гидроэлектроагрегатов меньшего диаметра в многоярусной системе турбинных водоводов с капсульными гидроагрегатами, размещаемыми в каждом из водоводов [1], усложняет условия монтажа и эксплуатации, что, в конечном счете, удорожает стоимость ПЭС и делает ее малопригодной для эксплуатации.

Изобретение обеспечивает пониженные капитальные затраты благодаря тому, что (в отличие от известных решений [1] и [2]) позволяет использовать турбины меньшего диаметра без ухудшения удельных показателей пропускной способности и мощности на единицу длины напорного фронта. Например, реализация изобретения на Мезенской ПЭС с глубинами водного потока 25-30 м позволяет вместо гидроагрегатов с ортогональными турбинами диаметром 10 м применить гидроагрегаты с ортогональными турбинами диаметром 5 м. При этом сохраняются неизменными удельная пропускная способность и мощность гидроагрегатов на единицу длины напорного фронта ПЭС. Одновременно при неизменной общей мощности ПЭС значительно (почти в 2 раза) уменьшается общая стоимость ее гидроагрегатов и примерно на 30% снижается стоимость здания ПЭС. Снижение стоимости здания с уменьшением диаметра турбин происходит из-за уменьшения необходимой по гидравлическим условиям длины водоводов.

Монтаж, демонтаж и эксплуатационное обслуживание оборудования в предлагаемой установке значительно упрощаются по сравнению с установками [1] и [2]. После закрытия водоводов 1 и 2 затворами и откачки воды все оборудование подводной части установки (включая поз. 3, 4, 8, 9, 11 и 15) может последовательно опускаться или подниматься через сквозные полости 14 (размеры которых обеспечивают вертикальное перемещение нижемонтируемого оборудования) и свободные пространства в средней части водоводов 1 и 2. Удобство эксплуатации обеспечивается, в частности, тем, что в отличие от установок [1] и [2] в предлагаемой установке компановка оборудования оптимизирована в отношении эксплуатационного обслуживания. Генератор 5 и связанное с ним электрооборудование, которое требует частого доступа обслуживающего персонала, размещено в незатопляемой верхней части установки (например, над верхним бьефом), а в подводной части установки в герметизированных полостях 14 размещено оборудование (подшипниковые опоры, соединительные элементы, перегородки), требующее более редкого доступа для текущего эксплуатационного обслуживания.

Источники информации

1. Приливные электростанции. Под ред. Л.Б.Бернштейна. Москва, АО «Институт Гидропроект», 1994 г., книга 1, стр.194, рис.12.12.

2. Патент РФ №2216644 от 27.12.2001 г. МПК F03B 7/00, 13/00

Установка предназначена для преобразования энергии потоков воды в электрическую энергию. Гидроэнергетическая установка содержит, по меньшей мере, два горизонтально расположенных один над другим турбинных водовода, генератор, установленный над турбинными водоводами, и размещенные в турбинных водоводах ортогональные турбины, валы которых установлены вертикально в подшипниковых опорах. При этом в стенках турбинных водоводов образованы герметизированные съемными перегородками технологические полости, в которых размещены подшипниковые опоры и соединительные элементы, кинематически связывающие валы турбин между собой и с валом генератора. Подшипниковые опоры могут быть закреплены в съемных водонепроницаемых перегородках. Установка может содержать, по меньшей мере, две горизонтально размещенные вдоль напорного фронта группы турбинных водоводов, расположенных друг над другом. Установка может быть снабжена водонепроницаемыми ходами сообщения, предназначенными для связи технологических полостей с эксплуатационным колодцем гидроэлектростанции. Конструкция установки позволяет обеспечить удобные условия монтажа, демонтажа и эксплуатационного обслуживания оборудования при пониженных удельных капитальных затратах. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гидротурбинная установка, содержащая, по меньшей мере, два горизонтально расположенных один над другим турбинных водовода, генератор, установленный над турбинными водоводами, и размещенные в турбинных водоводах ортогональные турбины, валы которых установлены вертикально в подшипниковых опорах, при этом в стенках турбинных водоводов образованы герметизированные съемными перегородками технологические полости, в которых размещены подшипниковые опоры и соединительные элементы, кинематически связывающие валы турбин между собой и с валом генератора.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что подшипниковые опоры закреплены в съемных перегородках.3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, две размещенные вдоль напорного фронта группы турбинных водоводов, расположенных друг над другом.4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена водонепроницаемыми ходами сообщения, предназначенными для связи технологических полостей с эксплуатационным колодцем гидроэлектростанции.